Le sujet de recherche de ce mémoire de thèse est consacré à la modélisation d'une étape particulière des procédés de fabrication mis en oeuvre en microélectronique : la diffusion des dopants. Le premier volet de ce travail est dédié à la compréhension et la réadaptation des modèles classiques de diffusion. En effet, ceux-ci atteignent actuellement leurs limites en raison de la mauvaise description au cours des recuits de l'évolution des défauts créés par l'implantation ionique. La seconde partie de ce travail a donc été de comprendre le rôle des défauts étendus (petits amas, défauts \(113\), boucles de dislocation) dans la diffusion accélérée et transitoire du bore. Ces travaux ont consisté à modéliser la croissance compétitive de type maturation d'Ostwald que se livrent ces agglomérats au cours du recuit et à le coupler à la diffusion du dopant. De plus, on a pu observer lors d'implantations à forte dose, la formation d'agglomérats de bore engendrant une immobilisation et une inactivation du dopant. Pour intégrer la formation de ces agglomérats, nous avons considéré la formation d'amas mixte de bore et d'interstitiels de type BnIm. A partir de récents calculs ab-initio tirés de la littérature, nous avons pu extraire les énergies de formation ainsi que les différents états de charges de ces amas mixtes de bore et d'interstitiels. Ce dernier modèle, couplé aux deux autres, a été validé à partir de divers résultats expérimentaux.

Le sujet abordé dans ce manuscrit traite de l'étude des défauts ponctuels et de leur rôle dans la diffusion au sein des semi-conducteurs Si et SiGe suivant une approche numérique. Le fait que les changements de concentrations observés dans un cristal à son échelle soient induits par des mouvements à l'échelle atomique, a conduit à une approche multi-échelle.<br /><br />Le calcul ab initio est un outil adapté à l'exploration des phénomènes inter-atomiques. Couplées à des algorithmes de minimisation des configurations, cet outil donne accès aux états stables et aux états de transition des phénomènes diffusifs. Le mouvement macroscopique est ensuite reproduit par l'utilisation de simulations de Monte Carlo cinétique.<br /><br />Nous détaillons, dans le présent travail, les coûts énergétiques et les géométries des principaux défauts répertoriés dans Si et SiGe. Il en ressort que la lacune, l'interstitiel dissocié, l'interstitiel hexagonal et le défaut tétra-coordonné sont tous les quatre des défauts de moindre énergie dans ces systèmes. L'étude des mouvements possibles et leurs utilisations dans des simulations de physique thermodynamique, permet de montrer l'existence de plusieurs régimes de diffusion, selon que les médiateurs du mouvement agissent seuls ou de façon coordonnée. Nous donnons l'exemple de la diffusion lacunaire, dont les variations observées s'expliquent par la présence plus ou moins importante de bi-lacunes et par les phénomènes de dissociation en jeu.<br /><br />Par cette étude, nous mettons en avant la nécessité de combiner, dans le cas de la diffusion, une analyse de l'échelle atomique avec des simulations à des échelles plus macroscopiques.

Dans les transistors MOS avancés, la réalisation de jonctions ultraminces (<15 nm) abruptes et fortement dopées par implantation ionique de dopant reste la voie privilégiée pour l'élaboration des extensions source/drain (S/D). Cependant, au cours du recuit d'activation, cette méthode s'accompagne de la formation de défauts étendus de type interstitiel et d'agglomérats défauts-dopants qui sont à l'origine de problèmes majeurs tels que la diffusion accélérée et transitoire (TED) des dopants et la dégradation des propriétés électriques des jonctions. L'objectif de cette thèse a été de modéliser de façon globale ces différents phénomènes physiques afin de prédire la distribution des dopants dans les extensions S/D. Pour ce faire, nous avons d'abord simulé la croissance compétitive de type maturation d'Ostwald que se livrent ces défauts au cours du recuit et nous l'avons couplée à la diffusion des dopants, notamment dans les cas d'intérêt technologique, lorsque l'étape d'implantations à forte dose cause la formation d'agglomérats défauts-dopants engendrant une immobilisation et une inactivation partielle du dopant dans le silicium. Nous avons ensuite étendu les modèles développés dans le silicium aux cas de nouveaux matériaux tels que le SOI (Silicon-On-Insulator) ou le SiGe (alliage silicium/germanium). Enfin, les modèles élaborés et calibrés pour la fabrication des jonctions ultra-fines ont été validés en simulant électriquement les technologies industrielles en développement à STMicroelectronics-Crolles : C65 SOI et SiGe 45, avec une attention particulière aux effets de petites géométries tels que le SCE (Short Channel Effects) et le DIBL (Drain-Induced Barrier Lowering).